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1、1 前言1.1 选题背景与意义1.1.1 国内外现状进入21世纪，我国机床制造业既面临着提升机械制造业水平的需求而引发的制造装备发展的良机，也遭遇到加入WTO后激烈的市场竞争的压力。从技术层面上来讲，加速推进数控技术将是解决机床制造业持续发展的一个关键。数控机床及由数控机床组成的制造系统是改造传统产业、构建数字化企业的重要基础装备，它的发展一直备受人们关注。数控机床以其卓越的柔性自动化的性能、优异而稳定的精度、灵捷而多样化的功能引起世人瞩目。它开创了机械产品向机电一体化发展的先河，因此数控技术成为先进制造技术中的一项核心技术。另一方面，通过持续的研究，信息技术的深化应用促进了数控机床的进一步提
2、升。进给伺服以数控机床的各坐标为控制对象，产生机床的切削进给运动。为此，要求进给伺服能快速调节坐标轴的运动速度，并能精确地进行位置控制。具体要求其调速范围宽、位移精度高、稳定性好、动态响应快。根据系统使用的电动机，进给伺服可细分为步进伺服、直流伺服、交流伺服和直线伺服。步进伺服是一种用脉冲信号进行控制，并将脉冲信号转换成相应的角位移的控制系统。直流伺服的工作原理是建立在电磁力定律基础上。与电磁转矩相关的是互相独立的两个变量主磁通与电枢电流，它们分别控制励磁电流与电枢电流，可方便地进行转矩与转速控制。交流伺服系统具有良好的伺服特性。其宽调速范围、高稳速精度、快速动态响应及四象限运行等良好的技术性
3、能，使其动、静态特性已完全可与直流伺服系统相媲美。同时可实现弱磁高速控制，拓宽了系统的调速范围，适应了高性能伺服驱动的要求，交流伺服已占据了机床进给伺服的主导地位。直线伺服系统采用的是一种直接驱动方式（Direct Drive），与传统的旋转传动方式相比，最大特点是取消了电动机到工作台间的一切机械中间传动环节，即把机床进给传动链的长度缩短为零。这种“零传动”方式，带来了旋转驱动方式无法达到的性能指标。目前，进给系统中的传动装置主要包括了齿轮传动装置、液力传动装置、静液力传动装置等。而驱动控制单元有位置控制方式、速度控制方式、JOG控制方式、内部速度控制方式等。1.1.2 选题的目的与意义进给伺
4、服系统是数控车削中心的重要组成部分，由驱动控制单元、驱动电机、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。其主要功能是接受数控装置的指令来控制电机驱动机床的各运动部件，从而准确地控制它们的速度和位置，达到加工出所需零件的外形和尺寸的最终目标。因此进给伺服系统的性能优劣直接影响加工工件的质量和精度，对提高生产效率和产品质量具有十分重要的作用。本次设计有利于培养综合运用基础知识和专业知识，解决工程实际问题的能力，提高综合素质和创新能力，受到本专业工程技术和科学研究工作的基本训练，使工程绘图、数据处理、外文文献阅读、程序编制、使用手册等基本技能得到训练和提高，培养正确的设计思想。严肃认真的科学态度。在
5、设计中，先通过参考及查阅了解进给系统的工作原理、作用和结构特点，选择合适的算法，根据计算结果查阅手册，得到相应的结构和零件，并绘制相关的图纸。1.2 数控车削中心简介数控车削中心是一机多用的多工序加工机床，它是数控机床在扩大工艺范围方面的发展。不少回转零件上常常有钻孔、铣削等工序，例如钻油孔、铣键槽、铣扁及铣油槽等，最好能在一次装夹下完成，这对于降低成本、缩短加工周期、保证加工精度等都有重要意义，特别是对重型机床，更能突显其优点，因为其加工的重型工件吊装不易，最好是工件再一次安装后能完成多工序的加工。所以车削中心刀架上的刀具数目增加了许多，形成了一个刀库。图1.1是车削中心示意图。加工时，机床
6、主轴不转，装在刀架上的铣削主轴带着铣刀旋转。对车削中心加工工艺的分析可见，车削中心在数控车床的基础上增加了两大功能：自驱动刀具、增加了主轴的C轴坐标功能。图1.1 车削中心示意图1.3 数控车削中心进给系统概述数控机床伺服系统的一般结构如图1.2所示：图1.2 数控机床进给系统伺服由于各种数控设备所完成的加工任务不同，它们对进给伺服系统的要求也不尽相同，但通常可概括为以下几方面：可逆运行；速度范围宽；具有足够的传动刚度和高的速度稳定性；快速响应并无超调；高精度；低速大转矩。伺服系统对伺服电机的要求：（1）从最低速到最高速电机都能平稳运转，转矩波动要小，尤其在低速如0.1r /min或更低速时，
7、仍有平稳的速度而无爬行现象。（2）电机应具有大的较长时间的过载能力，以满足低速大转矩的要求。一般直流伺服电机要求在数分钟内过载4-6倍而不损坏。（3）为了满足快速响应的要求，电机应有较小的转动惯量和大的堵转转矩，并具有尽可能小的时间常数和启动电压。电机应具有耐受4000rad/s2以上的角加速度的能力，才能保证电机可在0.2s以内从静止启动到额定转速。（4）电机应能随频繁启动、制动和反转。随着微电子技术、计算机技术和伺服控制技术的发展，数控设备的伺服系统已开始采用高速、高精度的全数字伺服系统。使伺服控制技术从模拟方式、混合方式走向全数字方式。由位置、速度和电流构成的三环反馈全部数字化、软件处理
8、数字PID，使用灵活，柔性好。数字伺服系统采用了许多新的控制技术和改进伺服性能的措施，使控制精度和品质大大提高。数控车削中心的进给传动系统一般均采用进给伺服系统。这也是数控车削中心区别于普通车床的一个特殊部分。 数控车削中心的伺服系统一般由驱动控制单元、驱动元件、机械传动部件、执行件和检测反馈环节等组成。驱动控制单元和驱动元件组成伺服驱动系统。机械传动部件和执行元件组成机械传动系统。检测元件与反馈电路组成检测系统。 进给伺服系统按其控制方式不同可分为开环系统和闭环系统。闭环控制方式通常是具有位置反馈的伺服系统。根据位置检测装置所在位置的不同，闭环系统又分为半闭环系统和全闭环系统。半闭环系统具有
9、将位置检测装置装在丝杠端头和装在电机轴端两种类型。前者把丝杠包括在位置环内，后者则完全置机械传动部件于位置环之外。全闭环系统的位置检测装置安装在工作台上，机械传动部件整个被包括在位置环之内。 开环系统的定位精度比闭环系统低，但它结构简单、工作可靠、造价低廉。由于影响定位精度的机械传动装置的磨损、惯性及间隙的存在，故开环系统的精度和快速性较差，见图1.3。图1.3 开环系统全闭环系统控制精度高、快速性能好，但由于机械传动部件在控制环内，所以系统的动态性能不仅取决于驱动装置的结构和参数，而且还与机械传动部件的刚度、阻尼特性、惯性、间隙和磨损等因素有很大关系，故必须对机电部件的结构参数进行综合考虑才
10、能满足系统的要求，见图1.4。因此全闭环系统对机床的要求比较高，且造价也较昂贵。而为了减少全闭环系统的技术难度，舍去反馈环路内的非线性因素，而改用在传动系统的中间环节上取出比较容易测量的转角信号和角位移信号进行反馈，由此构成半闭环系统，见图1.5。闭环系统中采用的位置检测装置有：脉冲编码器、旋转变压器、感应同步器、磁尺、光栅尺和激光干涉仪等。图1.4 闭环系统数控车床的进给伺服系统中常用的驱动装置是伺服电机。伺服电机有直流伺服电机和交流伺服电机之分。交流伺服电机由于具有可靠性高、基本上不需要维护和造价低等特点而被广泛采用。直流伺服电动机引入了机械换向装置。其成本高，故障多，维护困难，经常因碳刷
11、产生的火花而影响生产，并对其他设备产生电磁干扰。同时机械换向器的换向能力，限制了电动机的容量和速度。电动机的电枢在转子上，使得电动机效率低，散热差。为了改善换向能力，减小电枢的漏感，转子变得短粗，影响了系统的动态性能。图1.5 半闭环系统交流伺服已占据了进给伺服的主导地位，并随着新技术的发展而不断完善，具体体现在三个方面。一是系统功率驱动装置中的电力电子器件不断向高频化方向发展，智能化功率模块得到普及与应用；二是基于微处理器嵌入式平台技术的成熟，将促进先进控制算法的应用；三是网络化制造模式的推广及现场总线技术的成熟，将使基于网络的伺服控制成为可能。2 进给系统设计计算2.1 总体方案设计和计算
12、2.1.1 方案设计及总体布局数控加工中心可以布置成卧式、立式、倒立式及斜置式，根据设计要求，采用卧式斜床身形式。主轴水平安装，横向成45布置。根据纵横向进给行程定外观总长度。数控车削中心的伺服系统是连接数控系统和机床主体的重要部分，在设计中，根据进给定位精度要求在伺服系统上选择最广泛应用的半闭环方式。采用螺旋传动，计算滚珠丝杠副尺寸规格，接着进行丝杠的校核并进行精度等验算，同时还需要根据计算的扭矩选择伺服电机。2.1.2 主切削力及其切削分力的计算已知最大工件直径dmax=400mm，根据nj=nminRn0.3得到主轴计算转速为160r/min，在此转速下，主轴具有最大扭矩和功率，则切削速
13、度为v=njdmax60=1600.460=3.35m/s取电机机床主电动机的额定功率PE=11kW，机床传动效率=0.8，则主切削力为Fz=PEv=0.8113.35=2.626kN=2626N则切削分力Fx、Fy为Fx=0.25Fz=656.5NFy=0.4Fz=1050.4N2.2 X轴设计计算2.2.1 传动系统设计根据设计要求，数控车削中心进给系统设计给定的主要进给参数如下：最大回转直径（mm）：400 主轴转速(rpm)：40-4000 行程：X（mm）：270 动力刀架：12位 定位精度：X（mm）：0.015/300 伺服进给电机(KW)：AC0.6根据实际设计过程，自定的估算
14、参数为：承受的质量：X（kg）：80 最大进给速度：X（m/min）：7 从产品目录中查到功率为0.6kW的交流伺服电动机额定转速为1000r/min，最高转速为nmax=1300r/min。取伺服电动机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1。工作台快速进给的最高速度要求达到vmax=9 m/min。取电动机的最高转速nmax=1300r/min，则丝杠的最高转速nmax也为1300r/min，得到基本丝杠导程Ph=1000vmaxnmax=100071300=5.4mm=6mm根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为=0.001mm/脉冲。伺服电动机每转应发出的脉冲数为b=Phi=60.0011=
15、6000反馈器采用每转2000脉冲的脉冲编辑器，则倍频器的倍数为3。2.2.2 滚珠丝杠的选择由于X轴进给系统要求达到0.015/300mm的定位精度，根据此要求查阅滚珠丝杠样本，对于1级精度丝杠，任意300mm内导程允许误差为0.006mm，2级精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程变动量V300为定位精度的1312，即0.0050.0075mm，因此，取1级精度滚珠丝杠。（1）滚珠丝杠的等效载荷计算滚珠丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。已知最大切削力Fz=4288N，工作台刀具等质量为80kg，贴塑导轨的摩擦系数取0.0
16、4，则滚珠丝杠的最小载荷（即摩擦力）为Fmin=fG=0.04809.8=31.36N滚珠丝杠的最大载荷为 Fmax=Fy+fG+Fz+Fx =1050.4+0.04809.8+2626+656.5 =1213.06N则等效载荷为Fm=2Fmax+Fmin3=21213.06+31.363=819.16N（2）滚珠丝杠当量动载荷的计算已知滚珠丝杠额定转速为1000r/min，取滚珠丝杠使用寿命T=15000h，则滚珠丝杠工作寿命为L=60nT106=60100015000106=900（106r）取载荷性质系数Kp=1.4，1级精度滚珠丝杠的精度影响系数为Ka=1，则丝杠的当量动载荷为Cm=F
17、m3LKpKa=819.163900 1.41=11.07kN通过查阅滚珠丝杠样本，初步选择南京工艺装备制造有限公司成产的FFZD3206-3型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副。其直径为25mm，导程为6mm，循环总圈数为3列。额定动载Ca=11.3kN，CmCa，符合设计要求。2.2.3 滚珠丝杠支承选择本传动系统的滚珠丝杠采用一端轴向固定，一段浮动的结构形式。固定端采用1对60接触的角接触轴承面对面组配，简支端支持采用深沟球轴承，只承受丝杠的重量。 2.2.4 伺服电机的选择（1）最大切削负载和转矩计算所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。从前面的计算得知，滚珠丝杠最大载荷Fmax
18、=1213.06N，则预紧力为Fp=Fmax3=1213.063=404.35N丝杠导程Ph=6mm=0.006m，滚珠丝杠螺母副的机械效率o=0.95。因滚珠丝杠预加载和引起的附加摩擦力矩为TP0=FPPh2i1-02=0.047N查阅相关手册，选取760204TN型推力角接触球轴承，单个轴承的摩擦力矩为0.105Nm，则一对轴承的摩擦力矩Tfo=0.21Nm。简支端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直连，其传动比i=1，则最大切削负载转矩为T=FmaxPh2+TP0+Tf0i=1213.060.00620.95+0.047+0.211=1.466Nm所选伺服电动机额额定转矩
19、应大于此值。（2）负载惯量计算伺服电动机的转子惯量JM应与负载惯量JL相匹配。负载惯量按以下次序计算。作台刀具等质量为80kg，折算到电动机轴上的惯量为J1=mv2=mPh22=800.00622=7.310-5kgm2=0.73kgcm2滚珠丝杠的直径D0=25mm=0.025m，长度取l=0.7m，材料（钢）的密度=7.8103kg/m2。则丝杠加在电动机轴上的惯量为J2=132lD04=7.81030.70.025432=2.110-4kgm2=2.09kgcm2 联轴节加上锁紧螺母等的惯量J3可直接查阅手册得到J3=10kgcm2故负载总惯量JL+J1+J2+J3=0.73+2.09+
20、15=12.82kgcm2 根据中小型数控机床惯量匹配条件，1JM/JL4，所选伺服电动机的转子惯量应在12.8251.28kgcm2范围之内。根据上述计算初步选择杭州德司麦科科技有限公司生产的130L0.6M6N型交流伺服电动机，其额定转矩为5.8 Nm，转子惯量为JM=14kg cm ，最大输出转矩为17.4 Nm，均满足条件，故符合设计要求。2.2.5 滚珠丝杠副的校核计算（1）丝杠稳定性校核已知工作台的X轴行程为270mm，当螺母移动到离定位点最近位置时，保留150mm的丝杠位置，因此丝杠最大受压长度lmax=270+150=420mm=0.42m，查阅手册可得丝杠底径d1=20.9m
21、m=0.0209m，安全系数K1=1/3，此丝杠为一端轴向定位结构，查得丝杠支承方式系数K2=2，E为丝杠材料钢的弹性模量，E=2102GPa，则滚珠丝杠的最小惯性矩为I=64d14=640.02094=9.3710-9m4滚珠丝杠的临界压缩载荷为Fc=2EIl2K1K2=2210119.3710-90.422132=69870NX轴进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Fmax=1213.06N，远远小于其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求，该压杆安全。（2）丝杠临界转速校核滚珠丝杠副转速的计算长度L=0.42m，材料密度=7.8103kg/m2，,安全系数K1=0.8，丝杠支承方式系数=
22、3.927，则滚珠丝杠的最小截面积为A=4d12=40.02092=3.4310-4m2滚珠丝杠的临界转速为nc=302L2EIAK1=303.92720.422210119.3710-97.81033.4310-40.8=17675r/min X轴向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，远小于其临界转速，故满足要求。（3）传动系统综合刚度的计算1）滚珠丝杠的拉压刚度计算已知丝杠最大受压长度lmax=0.42m，丝杠底径di=20.9mm=0.0209m，则Ktmin=AElmax10-6=3.4310-4210110.4210-6=163N/m2） 滚珠丝杠轴承的轴向刚度
23、查手册得760204TN型推力角接触球轴承的刚度 Kba=554 N/m3）滚珠丝螺母的接触刚度查样本手册得Kc=657N/m4）综合刚度的计算一般校核计算中，伺服刚度KR，折算到滚珠丝杠副上的联轴节的刚度K1，滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk，螺母座、轴承座的刚度Kh可忽然不计，则综合刚度K可简化为K=11Kmin+1Kba+1Kc=11163+1554+1657=106N/m （4）弹性变形加工中心的定为精准是在不切削在条件下检验的，因轴向载荷仅为导轨的摩擦力Ff =31.36N，故因Ff引起的弹性变形=FfK=31.361060.3m（5） 定位误差验算X轴向中滚珠丝杠在任意300mm内的导程误
24、差V300为6m，加上弹性变形量=0.3m，即6+0.3=6.3m。再加上某些次要因素，将不会超过要求的定位误差，能满足定位精度0.015/300的设计要求。2.3 Y轴设计计算2.3.1 传动系统设计设计要求给定参数为：最大回转直径（mm）：400 主轴转速(rpm)：40-4000 行程：Y（mm）：800 动力刀架：12位 定位精度：Z（mm）：0.002/300 伺服进给电机(KW)：AC1.0根据文献调研及企业应用实际状况，自定参数为：承受的质量：Y（kg）：200 最大进给速度：X（m/min）：10从产品目录中查到功率为1.0kW的交流伺服电动机额定转速为1000r/min，最高
25、转速为nmax=1300r/min。取伺服电动机通过联轴器与丝杠直接连接，即i=1。工作台快速进给的最高速度要求达到vmax=12 m/min。取电动机的最高转速nmax=1300r/min，则丝杠的最高转速nmax也为1300r/min，得到基本丝杠导程Ph=1000vmaxnmax=1000101300=7.6mm=8mm根据精度要求，数控机床的脉冲当量可定为=0.001mm/脉冲。伺服电动机每转应发出的脉冲数为b=Phi=80.0011=8000反馈器采用每转2000脉冲的脉冲编辑器，则倍频器的倍数为4。2.3.2 滚珠丝杠的选择由于Y轴进给系统要求达到0.02/300mm的定位精度，根
26、据此要求查阅滚珠丝杠样本，对于1级精度丝杠，任意300mm内导程允许误差为0.006mm，2级精度丝杠的导程允许误差为0.008mm。初步设计丝杠的任意300mm行程内的行程变动量V300为定位精度的1312，即0.00670.01mm，因此，取2级精度滚珠丝杠。（1）滚珠丝杠的等效载荷计算滚珠丝杠的最大载荷为切削时的最大进给力加摩擦力；最小载荷即摩擦力。已知最大切削力Fz=2626N，工作台刀具等质量为200kg，贴塑导轨的摩擦系数取0.04，则滚珠丝杠的最小载荷（即摩擦力）为Fmin=fG=0.042009.8=78.4N滚珠丝杠的最大载荷为 Fmax=Fx+fG+Fz+Fy =656.5
27、+0.042009.8+2626+1050.4 =882N则等效载荷为Fm=2Fmax+Fmin3=2882+78.43=614.1N（2）滚珠丝杠当量动载荷的计算已知滚珠丝杠最高转速为1500r/min,最低转速取0r/min,.则平均转速为n=2nmax+nmin3=21500+03=1000r/min取滚珠丝杠使用寿命T=15000h，则滚珠丝杠工作寿命为L=60nT106=60100015000106=900（106r）取载荷性质系数Kp=1.4，2级精度滚珠丝杠的精度影响系数为Ka=1，则丝杠的当量动载荷为Cm=Fm3LKpKa=614.13900 1.41=8300kN通过查阅滚珠
28、丝杠样本，初步选择南京工艺装备制造有限公司成产的FFZD3208-3型内循环浮动式垫片预紧滚珠丝杠副。其直径为32mm，导程为8mm，循环总圈数为3列。额定动载Ca =17.1kN，CmCa，符合设计要求。2.3.3 滚珠丝杠支承选择本传动系统的滚珠丝杠采用两端固定方式。固定端采用1对60接触的角接触轴承面对面组配。 2.3.4 伺服电机的选择（1） 最大切削负载和转矩计算所选伺服电动机的额定转矩应大于最大切削负载转矩。从前面的计算得知，滚珠丝杠最大载荷Fmax=882N，则预紧力为Fp=Fmax3=8823=294N丝杠导程Ph=8mm=0.008m，滚珠丝杠螺母副的机械效率0=0.95。因
29、滚珠丝杠预加载和引起的附加摩擦力矩为TP0=FPPh2i1-02=0.0456N查阅相关手册，选取760205TN型推力角接触球轴承，单个轴承的摩擦力矩为0.125Nm，则两对轴承的摩擦力矩Tfo=0.5Nm。简支端轴承不预紧，其摩擦力矩可忽略不计。伺服电动机与丝杠直连，其传动比i=1，则最大切削负载转矩为T=FmaxPh2+TP0+Tf0i=8820.00820.95+0.0456+0.51=1.7277Nm所选伺服电动机额额定转矩应大于此值。（2）负载惯量计算伺服电动机的转子惯量JM应与负载惯量JL 相匹配。负载惯量按以下次序计算。作台刀具等质量为200kg，折算到电动机轴上的惯量为J1=
30、mv2=mPh22=2000.00822=3.210-4kgm2=3.2kgcm2滚珠丝杠的直径D0=32mm=0.032m，长度取l=1.2m，材料（钢）的密度=7.8103kg/m2。则丝杠加在电动机轴上的惯量为J2=lD0432=7.81031.20.032432=9.610-4kgm2=9.6kgcm2 联轴节加上锁紧螺母等的惯量J3可直接查阅手册得到J3=10kgcm2故负载总惯量JL+J1+J2+J3=3.2+9.6+10=22.8kgcm2根据中小型数控机床惯量匹配条件，1 JM/JL 4，所选伺服电动机的转子惯量JM应在28.27113.08 kgcm2范围之内。根据上述计算初
31、步选择杭州德司麦科科技有限公司生产的130L1M9.6N型交流伺服电动机，其额定转矩为9.8Nm，转子惯量为JM =30kgcm2，最大输出转矩为28.8Nm，均满足条件，故符合设计要求。2.2.5 滚珠丝杠副的校核计算（1）丝杠稳定性校核已知工作台的Y轴行程为800mm，当螺母移动到离定位点最近位置时，保留150mm的丝杠位置，因此丝杠最大受压长度lmax=800+150=950mm=0.95m，查阅手册可得丝杠底径d1=26.9mm=0.0269m，安全系数K1=1/3，此丝杠为一端轴向定位结构，查得丝杠支承方式系数K2=4，E为丝杠材料钢的弹性模量，E=2102GPa ，则滚珠丝杠的最小
32、惯性矩为I=64d14=640.02694=2.5710-8m4滚珠丝杠的临界压缩载荷为Fc=2EIl2K1K2=2210112.5710-80.952134=74954.94NY轴进给系统滚珠丝杠螺母副的最大轴向压缩载荷为Fmax=882N，远远小于其临界压缩载荷Fc的值，故满足要求，该压杆安全。（2）丝杠临界转速校核滚珠丝杠副转速的计算长度L=0.95m，材料密度=7.8103kg/m2，,安全系数K1=0.8，丝杠支承方式系数=4.73，则滚珠丝杠的最小截面积为A=4d12=40.02692=5.6810-4m2滚珠丝杠的临界转速为nc=302L2EIAK1=304.7320.95221
33、0112.5710-87.81035.6810-40.8=6450r/min Y轴向进给传动链的滚珠丝杠螺母副的最高转速为1500r/min，小于其临界转速，故满足要求。（3）传动系统综合刚度的计算1）滚珠丝杠的拉压刚度计算已知丝杠最大受压长度lmax=0.95m，丝杠底径di=0.0269m，则Ktmin=AElmax10-6=5.6810-4210110.9510-6=119.58N/m2）滚珠丝杠轴承的轴向刚度查手册得760205TN型推力角接触球轴承的刚度 Kba=605 N/m3） 滚珠丝螺母的接触刚度查样本手册得Kc=816N/m（4）综合刚度的计算一般校核计算中，伺服刚度KR，折
34、算到滚珠丝杠副上的联轴节的刚度K1，滚珠丝杠副的抗扭刚度Kk，螺母座、轴承座的刚度Kh可忽然不计，则综合刚度K可简化为K=11Kmin+1Kba+1Kc=11119.58+1605+1816=89N/m（5）弹性变形加工中心的定为精准是在不切削在条件下检验的，因轴向载荷仅为导轨的摩擦力 Ff =78.4N，故因Ff引起的弹性变形 =FfK=78.4890.88m（6）定位误差验算Y轴向中滚珠丝杠在任意300mm内的导程误差V300为8m，加上弹性变形量=0.88m，即8+0.88=8.88m。再加上某些次要因素，将不会超过要求的定位误差，能满足定位精度0.02/300的设计要求。3 床身和导轨
35、的设计3.1 床身的设计 对于数控车削中心来说，作为主要支承件的床身至关重要，其结构性能的好坏直接影响着车削中心的各项性能指标。它支承着数控车削中心的床头箱、床鞍、刀架、尾座等部件，承受着切削力、重力、摩擦力等静态力和动态力的作用。其结构的合理性和性能的好坏直接影响着数控车削中心的制造成本；影响着车削中心各部件之间的相对位置精度和车削中心在工作中各运动部件的相对运动轨迹的准确性，从而影响着工件的加工质量；还影响着车削中心所用刀具的耐用度，同时也影响着车削中心的工作效率和寿命等。因此，床身特别是数控车削中心的床身具有足够的静态刚度和较高的刚度/质量比；良好的动态性能；较小的热变形和内应力；并易于
36、加工制造，装配等，才能满足数控车削中心对床身的要求。数控车削中心工作时，受切削力的作用，床身发生弯曲，其中，影响最大的是床身水平面内的弯曲。因此，在床身不太长的情况下，主要应提高床身在水平面内的弯曲刚度。所以，在设计床身时，采用与水平面倾斜45的斜面床身。这种结构的特点是：(1)在加工工件时，切屑和切削液可以从斜面的前方(即床身的一侧)落下，就无需在床身上开排屑孔，这样，床身斜面就可以做成一个完整的斜面。(2)切屑从工件上落到位于床身前面的排屑器中，再由排屑器将切屑排出。这样，车削中心在工作中，排屑性能和散热性能要好，可以减少床身在工作中吸收由于切削产生的热量，从而减少床身的热变形，使车削中心
37、更好地保持加工精度。(3)由于在床身上无需开排屑孔，就可以增加与底座连接的床身底面的整体性，从而可增加床身底面的刚性。基于以上特点使得床身抵抗来自切削力在水平和垂直面内的分力所产生的弯曲变形能力，以及它们的合力产生的扭转变形能力显著增强。从而大幅度提高了床身的抗弯和抗扭刚度。床身在弯曲、扭转载荷作用下，床身的变形与床身的截面的抗弯惯性矩和抗扭惯性矩有关。材料、截面相同，但形状不同的床身，截面的惯性矩相差很大。截面积相同时，采用空形截面，加大外轮廓尺寸，在工艺允许的情况下，尽可能减小壁厚，可以大大提高截面的抗弯和抗扭刚度；矩形截面的抗弯刚度高于圆形截面，但圆形截面的抗扭刚度较高；封闭截面的刚度显
38、著高于不封闭截面的刚度。为此，在设计床身截面时，综合考虑以上因素，在满足使用、工艺情况下，采用空心截面，加大轮廓，减小壁厚，采用类似矩形的床身截面形式。床身设计床身与导轨为一体，床身材料的选择应根据导轨的要求选择。铸铁具有良好的减震性和耐磨性，易于铸造和加工。床身材料采用机械性能优良的HT250，其硬度、强度较高，耐磨性较好，具有很好的减震性。床身设计见图3.1。图3.1 床身设计图3.2 导轨的设计机床上两相对运动部件的配合面组成一对导轨副，不动的配合面为支承导轨，运动的配合面为动导轨。导轨副的主要功用是导向和承载，为此，导轨副只允许具有1个自由度。普通滑动导轨以及静压导轨、动压导轨等导轨副
39、工作面之间的，摩擦性质为滑动摩擦。滚动导轨副工作面之间装有滚动体，使两导轨面之间形成滚动摩擦。（1）导轨应满足的基本要求1）导向精度导向精度主要是指导轨运动轨迹的精确度。影响导向精度的主要因素有：导轨的几何精度和接触精度、导轨的结构形式、导轨及其支撑件的刚度和热变形、静（动）压导轨副之间的油膜厚度及其刚度等。2）精度保持性精度保持性主要由导轨的耐磨性决定。耐磨性与导轨的材料、导轨副的摩擦性质、导轨上的压强及其分布规律等因素有关。3）刚度刚度包括导轨的自身刚度和接触刚度。导轨的刚度不足会影响部件之间的相对位置和导向精度。导轨刚度主要取决于导轨的型式、尺寸、与支承件的连接方式及受力状况等因素。4）
40、低速运动平稳性动导轨作低速运动或微量位移时易产生摩擦自激振动，即爬行现象。爬行会降低定位精度或增大被加工工件表面的粗糙度的值。（2）导轨副的材料构成根据摩擦学的理论，不同材料所组成的运动副的磨损比相同材料的要小。常用下列材料组合构成导轨副。 1）铸铁铸铁动导轨常用灰铸铁，支承导轨采用孕育铸铁、高磷铸铁和合金铸铁，其耐磨性比普通铸铁高24倍。一般用于较精密机床上。2）铸铁淬硬铸铁 动导轨用普通灰铸铁，并经刮配加工.支承导轨常用HT20HT40铸铁并进行表面淬火提高其硬度及耐磨性，一般说来，动导轨的硬度比支承导轨硬度低HB15HB45为宜。导轨表面淬火常用感应淬火、接触电阻淬火和火焰淬火等。3）铸
41、铁淬硬钢板 动导轨用铸铁。支承导轨为碳素钢（T10A，T8A等）或合金钢（40Cr，CrWMn等）淬硬钢导轨。4）有色金属铸铁在重型机床导轨（例如龙门刨床工作台主运动导轨）上，为防止撕伤、降低磨损、保证运动平稳性和提高移动精度，在动导轨基本上镶装ZQSn6-3，ZQA1-9-2等有色金属板。（3）各种截面形状导轨的性能导轨面由若干个平面组成，从制造、装配和检验来说，平面数量应尽可能少。直线运动导轨的基本截面形状见图3.2。图3.2 导轨的截面形状图a）是矩形导轨，具有刚度高，承载能力大，制造、检验和维修方面，但是导轨不可避免的存在侧面间隙，因而导向精度较差。图b）是三角形导轨，导向性能与顶角值
42、成正比。当其水平布置时，导轨磨损后自动补偿。支撑导轨为凸三角形时，不易积存较大切削，也不易存润滑油。支承导轨为凹三角形时，导轨副易产生动压效应，但防尘性差。此外，当M面和N面上的负荷相差较大时，可支撑不对称的三角形导轨。图c）是燕尾形导轨，是三角形导轨的变形。高度较小，可承受颠覆力矩；但刚度差，制造、检验和维修都不方便。角通常取为55，用一根镶条可同时调整M，J2个方向间隙。图d）是图柱形导轨，不易积存较大切屑和润滑油，磨损后难以调整和补偿间隙。主要用于受轴向载荷的场合。（4）导轨的选型车床的导轨可分为滑动导轨和滚动导轨两种。滑动导轨具有结构简单、制造方便、接触刚度大等优点。但传统滑动导轨摩擦
43、阻力大且磨损快，动、静摩擦系数差别大，低速时易产生爬行现象。目前，数控车床已不采用传统滑动导轨，而是采用带有耐磨粘贴带覆盖层的滑动导轨和新型塑料滑动导轨。它们具有摩擦性能良好和使用寿命长等特点。在动导轨上镶装塑料具有摩擦系数低、耐磨性高、抗撕伤能力强、低速时不易爬行、加工性和化学稳定性好、工艺简单、成本低等优点，在各类机床上都有应用，特别是用在精密、数控和重型机床的动导轨上。塑料导轨可与淬硬的铸造铁支承导轨和镶钢支承导轨组成对偶摩擦副。机床导轨的质量在一定程度上决定了机床的加工精度、工作能力和使用寿命。导轨的功用是导向和承载。车床的床身导轨属于进给导轨，进给运动导轨的动导轨与支承的静导轨之间的
44、相对运动速度较低。本设计中主要采用滚动导轨设计，滚动导轨的摩擦系数小（0.001），动、静摩擦系数很接近，不易产生爬行。可以用油脂润滑。滚动导轨的抗振性差，对污染敏感，必须有保护。其结构形式包括直线滚动导轨副和滚动导轨块两种，此处采用直线滚动导轨副，图3.3为示意图。图3.3 滚动直线导轨副的滚动体4 部分零件的设计4.1 联轴器的选用联轴器是机械传动中常用的部件，它主要用于连接轴与轴、轴与其他回转零件。以传递运动和动力。从传动系统总体设计考虑，此处选用挠性联轴器，设计见图4.1。挠性联轴器主要由挠性元件、法兰盘、加长段、压紧元件、螺栓、防松螺母、垫套等组成。图4.1 挠性联轴器4.2 轴承盖
45、的选用滚珠丝杠两端有轴承端盖，它的作用是轴承外圈的轴向定位，和防尘和密封，除它本身可以防尘和密封外，它常和密封件配合以达到密封的作用。左侧端盖因为滚珠丝杠要通过所以设计了一个孔用毡垫来封油。右边可以设计成封闭式的端盖可以减小加工难度。轴承端盖见图4.2。图4.2 轴承盖简图5 结 论毕业设计是对我们大学期间所学知识的一次总结与运用，是对以前每门课程设计的综合，是对所学知识的彻底检验。开始设计之前，我首先上网搜索了有关数控车削中心方面的知识，对数控车削中心的发展现状和发展趋势有了进一步的了解，也让我学习到了很多新的知识。设计的时候，我们对学校的一些数控车床进行了观察，我主要观察了数控车削中心的进
46、给系统结构，同时并结合自己的课题对机床的总体布局做了进一步的研究，并通过查阅资料和相关图册，设计出了满足数控车削中心需要的进给系统。毕业设计是我们走向工作岗位的最后一次练兵，是一次理论和实践完美结合的过程。在近三个月的毕业设计当中，使我更加认识到理论联系实际的重要性，只有理论而不去进行实践是不行的。在设计过程中，我参考了一些图纸，在参考的基础上，理解并分析其优缺点，取长补短，对自己其中不合理的部分进行了充分改进。通过这次设计，自己在查阅资料、运用资料、中英文翻译、运用专业知识及CAD绘图等方面的能力有了较大地提高，弥补了原来学习中的很多不足之处，为以后从事机械方面的工作打下了一定的基础，积累了一定的经验，对设计工作有了一定的认识。本次设计中，完成了系统中的尺寸计算及结构设计，并对其进行一系列的校核，各项性能指标完全满足条件，说明设计的结构是合理的。然后选择滚珠丝杠和电动机，并设计了床身等。参 考 文 献1 路君勇，魏冰阳. CK518数控立式车床进给系统的优